魏雨露

摘 ? ?要：平板閘門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝、維修方便，安全可靠度高，在水利水電工程中普及率最高，但其在啟閉過(guò)程中常常會(huì)發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起閘門及周圍建筑物破壞。故本文將有限元的思想引入閘門分析計(jì)算中，利用有限元軟件workbench建立了平板閘門的模型，并結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行靜動(dòng)力分析，探討流固耦合效應(yīng)與預(yù)應(yīng)力對(duì)閘門自振頻率的影響。

關(guān)鍵詞：平板鋼閘門;有限元;ANSYS建模;靜動(dòng)力分析

1 ?引言

在世界范圍內(nèi)的水利水電工程中，平板鋼閘門使用最早，范圍最廣[1]。平板閘門是一種三維立體結(jié)構(gòu)，按平面問(wèn)題進(jìn)行分析雖然簡(jiǎn)單易行，但很不精確。因此需要一種能夠?qū)奢d及邊界約束進(jìn)行逼真模擬，準(zhǔn)確反映整體結(jié)構(gòu)和各部分相互協(xié)調(diào)的分析方法。按空間體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，即空間有限元法，能夠綜合考慮閘門的性能，對(duì)閘門的荷載和約束進(jìn)行較為精確的仿真計(jì)算[1]。

2 ?平板鋼閘門有限元分析原理與建模

2.1 ?平板鋼閘門有限元假設(shè)

平板鋼閘門是一個(gè)完整的空間結(jié)構(gòu)體系，外力及荷載由閘門全部組成構(gòu)件承擔(dān)，需采用空間有限單元法進(jìn)行計(jì)算。平板鋼閘門可看作板梁組合的結(jié)構(gòu)體系，對(duì)閘門進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾陀邢拊治鰰r(shí)，相鄰的板單元與梁?jiǎn)卧嬖谙嗤慕Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，且需做出一些假定。

2.2 ?閘門三維建模

閘門為潛孔式平板鋼閘門，面板厚度0.025m，高5.4m，荷載跨度為5.0m，計(jì)算跨度4.94+0.2×2=5.34m。根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)布置，設(shè)置X軸為沿主梁、次梁橫軸方向;Y軸沿邊梁，垂直次梁的方向;Z軸為水流方向;零點(diǎn)定為閘門底部。荷載只考慮靜水壓力及閘門自重;約束在閘門底部加豎直向連桿約束，即Y向約束;在閘門的兩側(cè)滑塊處順著水流方向有Z向約束作用;在閘門最上方中心中有X向約束，防止閘門在X向有位移。

在此基礎(chǔ)上使用ANSYS軟件建立閘門模型，如圖1。主要應(yīng)用殼體單元SHELL181單元和梁?jiǎn)卧狟EAM188。

3 ?平板鋼閘門的動(dòng)靜力分析

3.1 ?靜力分析

3.1.1 ?應(yīng)力分析

由面板最大主應(yīng)力云圖可以看出，面板應(yīng)力主要發(fā)生在與各梁的接觸面處，最大主應(yīng)力發(fā)生在與第五主梁的接觸面處。由于靜水壓力及應(yīng)力集中的原因，最大主應(yīng)力發(fā)生在下部滑塊約束附近。最大主應(yīng)力為57.22MPa，遠(yuǎn)小于容許應(yīng)力160MPa。

主梁與次梁最大正應(yīng)力可知，各主梁與次梁的最大正應(yīng)力從上到下依次增大，最大正應(yīng)力發(fā)生在第五主梁和第四次梁中間，分別為143.49MPa和63.45MPa，這主要是隨著水深的增加靜水壓力逐漸增大導(dǎo)致的。另外，第二主梁最大正應(yīng)力相對(duì)其余主梁發(fā)生突變，這是由于其所處位置有滑塊約束造成了應(yīng)力集中;次梁應(yīng)力呈對(duì)稱分布，各梁的最大應(yīng)力均發(fā)生在中間位置兩側(cè)，這是由于中間位置與豎直次梁相連造成的。

3.1.2 ?變形分析

由面板最大位移云圖可知，面板最大位移為4.04mm，小于規(guī)范中允許的最大位移：主梁7.12mm，次梁5.34mm，滿足剛度約束，最大位移發(fā)生在與第五主梁和底橫梁接觸面的中間位置。主梁與次梁順?biāo)鞣较颍╖向）的最大位移，從上到下最大位移逐漸增大，發(fā)生在第五主梁中間位置和第四次梁中間位置，分別為3.7mm和3.74mm，滿足剛度要求。

3.2 ?動(dòng)力分析

3.2.1 ?流固耦合效應(yīng)對(duì)閘門振動(dòng)的影響

進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，將對(duì)閘門工作狀態(tài)（靜水）下的受力情況進(jìn)行模擬，將水體與閘門面板的接觸面定義為流固耦合，水體的高度為閘門的校核水位高度。閘門在空氣中（不考慮流固耦合效應(yīng)）與水中（考慮流固耦合效應(yīng)）的前十階自振頻率[2]見(jiàn)圖2，分析得出如下結(jié)論：

平板閘門在靜水中的自振頻率相較于空氣中明顯降低。這是因?yàn)榭紤]了流固耦合效應(yīng)后，除靜水壓力外，在閘門振動(dòng)時(shí)還在水流方向受額外約束。因此，閘門在水流方向的振動(dòng)幅度下降，表現(xiàn)在振動(dòng)頻率上則是閘門的固有頻率明顯降低，尤其是前幾階下降尤為顯著。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載下的響應(yīng)很大程度上取決于結(jié)構(gòu)前幾階的固有頻率，故在進(jìn)行閘門設(shè)計(jì)時(shí)，流固耦合效應(yīng)不可忽略。

3.2.2 ?預(yù)應(yīng)力對(duì)閘門振動(dòng)的影響

為了確定預(yù)應(yīng)力對(duì)閘門振動(dòng)的影響，對(duì)閘門在空氣中只考慮自重也進(jìn)行了動(dòng)力分析。由圖5可知，閘門的荷載主要影響其高階固有頻率，對(duì)結(jié)構(gòu)的低階固有頻率的影響基本可以忽略，因此在閘門的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可不考慮預(yù)應(yīng)力對(duì)閘門振動(dòng)的影響。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限元軟件workbench對(duì)平板閘門進(jìn)行靜動(dòng)力分析。在靜力分析的過(guò)程中，主要考慮了閘門的自重及靜水壓力。在動(dòng)力分析的過(guò)程中，主要探討了流固耦合效應(yīng)與預(yù)應(yīng)力對(duì)閘門振動(dòng)的影響，并得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)有限元分析軟件可以較好的對(duì)平板閘門進(jìn)行三維分析，計(jì)算結(jié)果比較精確，在靜力分析的過(guò)程中，可以對(duì)平板閘門的設(shè)計(jì)在強(qiáng)度與剛度兩個(gè)方面的進(jìn)行校核，優(yōu)勢(shì)巨大。

（2）流固耦合效應(yīng)對(duì)閘門的振動(dòng)影響明顯，預(yù)應(yīng)力則基本沒(méi)有影響，因此，在平板閘門的設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行考慮流固耦合效應(yīng)下的動(dòng)力特性分析。若只按靜力準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，閘門在工作時(shí)會(huì)有共振破環(huán)的危險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈震.平板閘門參數(shù)化有限元分析及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[D].北方工業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 張學(xué)森.基于流固耦合數(shù)值模擬的深孔平面鋼閘門底緣結(jié)構(gòu)型式研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.